第16讲 焊接热裂纹

提高焊缝成形系数可以 提高焊缝的抗裂性能。


从图中看出，当焊缝含 碳量提高时，为防止裂 纹，应相应提高宽深比。 要避免采用成形系数＜ 图4.6 焊缝成形系数对焊缝结晶裂纹的影响 1的焊缝截面形状。 a）电弧焊缝 b)电渣焊缝
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(2)工艺方向
主要指从焊接工艺参数、预热、接头设计和 焊接顺序等方面去防治结晶裂纹。
1)合理的焊缝形状 焊接接头形式不同，将影响到接头的受力状 态，结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向 也不同。
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4.5 焊接接头型式对裂纹倾向的影响

实际上，结晶裂纹和焊 缝的成形系数 (即宽深 比)有关，见图4-5。
(2)力学因素的影响 焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂性质。发生高 温沿晶断裂的条件是金属在高温阶段晶间塑性变形 能力不足以承受当时所发生的塑性应变量，即：
ε≥δmin
式中，ε——高温阶段晶间发生的塑性应变量； δmin——高温阶段晶间允许的最小变形量。
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δmin反映了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形 能力。金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温 度附近的“脆性温度区” 范围内其塑性变形能力 最低。 ε是焊缝金属在高温时受各种力综合作用所引 起的应变，它反映了焊缝当时的应力状态，主要是 由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起，如热应 力、组织应力和拘束应力等。
第四章 焊接气孔和裂纹
第16讲
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上讲回顾
主要内容： 1、气孔的类型及其分布特征 2、焊缝中形成气孔的机理 3、影响因素及防治措施
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4.2 焊接裂纹
焊接裂纹在焊缝金属和热影响区中都可能产生， 是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生最为危险的 一种缺陷。 焊接结构产生的破坏事故大部分都是由焊接裂 纹所引起。 一、裂纹的危害 焊接裂纹种类繁多，有些裂纹在焊后立即产生， 有些在焊后延续一段时间才产生，甚至在使用过程 中，在一定外界条件诱发下才产生。裂纹既出现在 焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。
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§4.2.1 焊接热裂纹
一、焊接热裂纹类型

在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线
附近的高温区时所产生的焊接裂纹称热裂纹。

焊接热裂纹可分成结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂
纹三类。
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（一）结晶裂纹

焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的 收缩，残余液体金属不足以及时填充，在应力作用 下发生沿晶开裂，称为结晶裂纹。
图4-3 熔池结晶阶段及脆性温度区
P--塑性；y--流动性；TB--脆性温度区
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3、影响因素 (1)冶金因素的影响 1)合金元素 ①S、P：在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾 向 S和P极易引起结晶偏析，还能形成多种低熔 化合物或共晶，在结晶期极易形成液态薄膜，对各 种裂纹都敏感。 ②C也是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其 他元素的有害作用 含碳增加，初生相可由δ相转为γ相，而S、P在 γ相中溶解度比在δ相中低很多，会在晶界析出，使 结晶裂纹倾向增大。




如果一次结晶组织仅仅是与结晶主轴方向大体一致的 单相奥氏体(γ)，结晶裂纹倾向就很大。 如果一次结晶组织为δ铁素体，或者γ＋δ同时存在的双 相组织，则结晶裂纹的倾向就很小。 δ相作用： ① δ相比γ相能固溶更多的有害杂质而减少有害杂 质的偏析； ② δ相在γ相中的分散存在，可使γ相枝晶支脉发 展受到限制，从而产生一定的细化晶粒和打乱结晶方 向的作用。 所以在焊接18-8型不锈钢时，通过调整母材或焊接材 料的成分，使焊缝中存在体积分数约5％的δ相，形成γ 46 25 ＋δ双相组织，从而提高焊缝金属的抗裂性能。
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图4.1 焊接接头裂纹分布示意图
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缺陷序号 1 1C 2 5 6
缺陷类型 焊缝边沿缺陷 焊缝边沿缺陷 根部裂纹 中部裂纹 孔状缺陷
缺陷位臵 中间 中间 中间 中间 中间
缺陷序号 7 8 11 13 14B
缺陷类型 夹渣 未融合 根部未焊透 中部未焊透 分层
缺陷位臵 中间 中间 中间 中间 中间
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d、在裂纹的分布上有: 表面裂纹、内部裂纹和弧坑(火口)裂纹 e、相对于焊缝断面的位臵上有： 焊趾裂纹、根部裂纹、焊道下裂纹和层状撕裂等 2)按裂纹产生的机理分 按裂纹产生机理分类能反映裂纹的成因和本质， 现归纳成： 热裂纹(包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹） 冷裂纹(包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性 脆化裂纹等) 再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等5类。
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图4.2 结晶裂纹的位臵、走向与焊缝结晶方向的关系
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这些结晶裂纹的共同特点：
所有结晶裂纹都是延一次结晶的晶界分布，
特别是沿柱状晶的晶界分布。 焊缝中心线两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱 状晶晶界上形成的。在焊缝中心线上的纵向裂纹恰 好是处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。 多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化的色彩， 说明了它是在高温下产生的。在扫描电镜下观察结
系。在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，这些远
比晶粒脆弱的液态薄膜承受不了这种拉伸应力，就 在晶粒边界处分离形成了结晶裂纹。 因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因， 而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。
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熔池的结晶的阶段可分为： 1）液固阶段：不会产生裂纹 2）固液阶段：有产生裂纹的可能 最容易产生结晶裂纹的阶段可称作 “脆性温度区”。 3）完全凝固阶段 焊缝整体变形，不会产生结晶裂纹。 注意： 当低熔共晶数量超过一定界限后， 可自由流动于晶界，并填充有裂口的 部位，起到 “愈合”作用，反而不产 生裂纹。 例如： 结晶裂纹倾向大的高强铝合金就 是利用“愈合”来防止裂纹的产生。 46
元素较多且富集在晶界，这种结晶偏析造成了化学
不均匀。随着柱状晶长大，杂质合金化元素就不断
被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线处，
它们与金属形成低溶相或共晶。
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在结晶后期，这些残存在晶界处的低熔相尚未
凝固，并被排挤在晶界形成一种所谓 “液态薄
膜”，散布在晶粒表面，割断了一些晶粒之间的联
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（三）多边化裂纹

焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由
于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及严重的物理
和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，这
些晶格缺陷迁移和聚集，形成了二次边界，它的组
织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有 轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生 所谓“多边化裂纹”。
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与ε有关的因素有： A)温度分布 若焊接接头上温度分布很不均勾，即温度梯 度很大，同时冷却速度很快，则引起的ε就很大， 极易发生结晶裂纹。 B)金属的热物理性能 若金属的热膨胀系数越大，则引起的ε也越大， 越易开裂。 C)焊接接头的刚性或拘束度 当焊件越厚或接头受到拘束越强时，引起的ε 也越大，结晶裂纹也越易发生。

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3)利用“愈合”作用

晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因， 但当易熔共晶增多到一定程度时，反而使结晶裂 纹倾向下降，甚至消失。 这是因较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由 流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙， 即所谓“愈合”作用。
焊接铝合金时就是利用这个道理来研究和选用焊 接材科的。通用的SAlSi-1焊丝用来焊接铝合金就 具有很好的愈合作用。 注意：晶间存在过多低熔相常会增脆性，影响接 46 头性能，故要控制适当。

主要发生在：
46 纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。14
二、 结晶裂纹的特征及产生机理 结晶裂纹又称凝固裂纹，是在焊缝凝固过程的
后期所形成的裂纹。
1、一般特征
结晶裂纹只产生在焊缝中，多只纵向分布在焊
缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，而且 这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布(见图4-2)。 通常纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短， 较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹，它产生于焊缝收尾 处。
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③锰具有脱硫作用，能降低热裂倾向，随着钢中 含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之增加。 ④硅是δ相形成元素，少量硅有利于提高抗裂性能。 但w(Si)超过0.4％时，会因形成硅酸盐夹杂而降低 焊缝金属的抗裂性能。 ⑤镍是促进热裂纹敏感性很高的元素，因镍是强 烈稳定γ相的元素，降低S的溶解度。如果形成NiS 或NiS-Ni，其熔点很低有利于形成热裂纹。含镍的 钢对硫的允许含量要求比普通碳钢更低。 ⑥最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成 高熔点的硫化物。例：钛的硫化物TiS熔点约2000 ～2100℃，铈的硫化物CeS熔点2400℃，它们的效 果比锰还好(MnS熔点16l0℃)，故有消除结晶裂纹 的良好作用。 46 23

主要产生在：
含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S、
P、C、Si偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某
些铝合金的焊缝中。
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（二）高温液化裂纹 液化裂纹的尺寸很小，产生的机理与结晶裂纹基本 相同。 裂纹出现位臵： 近缝区或多层焊的层间部位 主要发生在： 含有铬镍的高强钢、奥氏体钢以及某些镍基合 金的近缝区或多层焊的层间部位。 母材和焊丝中的S、P、Si、C偏高时，液化裂 纹的倾向将显著增高。
晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒
表面圆滑。
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图4.4 收缩应力作用下结晶裂纹形成示意图 a）柱状晶界形成裂纹 b）焊缝中心线上形成裂纹
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2、结晶裂纹形成机理 结晶裂纹都产生于树枝状晶粒的交界处，这说 明在焊缝结晶过程中晶界是个薄弱地带。焊接结晶 时先结晶部分较纯，后结晶的部分含杂质和合金化
2)组织形态
组织形态是指一次结晶的组织形态对结晶裂纹 的影响。如果焊缝一次结晶组织的晶粒度越大，结 晶的方向性越强，就越容易促使杂质偏析，在结晶 后期就越容易形成连续的液态共晶薄膜，增加结晶 裂纹的倾向。
如果在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素， 如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al等： 一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少杂质 的集中。 另一方向又打乱了柱状晶的结晶方向，破坏了 液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性能。 46 24


用于高合金钢时，w(S＋P)必须控制在0.03％以下， 焊丝中的w(C)也要严格限制，甚至要求用超低碳 (w(C)＝0.03％～0.06％)焊丝。
重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。

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2)改善焊缝结晶形态

ຫໍສະໝຸດ Baidu
在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、 V、Ti、Zr、A1等元素，以提高其抗裂性能； 焊接18-8型不锈钢时，通过调整母材或焊接材料 的成分，使焊缝金属中能获得δ＋γ双相组织，通 常δ相的体积分数控制在5％左右。既能提高其抗 裂性，也提高其耐腐蚀性。
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4) 表面裂纹能藏垢纳污 容易造成或加速结构的腐蚀。 5) 留下隐患，使结构变得不可靠 延迟裂纹产生的不定期性，以及微裂纹和内 部裂纹易于漏检。漏检的裂纹即使很小，在一定条 件下会发生扩展，这些都增加了焊接结构在使用中 的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。
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二、焊接裂纹的分类及其特点 1．焊接裂纹的分类 焊接裂纹可以从不同角度进行分类。 1)按焊接裂纹的分布形态分 a、在裂纹产生的区域上有： 焊缝裂纹、热影响区裂纹 b、在相对于焊道的方向上有： 纵向裂纹 走向与焊缝轴线平行 横向裂纹 走向与焊缝轴线基本垂直 c、在裂纹的尺寸大小上有： 宏观裂纹(通常肉眼可见) 、微观裂纹 46
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裂纹对焊接结构的危害有： 1) 减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结 构的承载能力。 2) 构成了严重的应力集中 裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的 切口。具有高的应力集中，既降低结构的疲劳强度， 又容易引发结构的脆性破坏； 3) 造成泄漏 用于承受高温高压的焊接锅炉或压力容器， 用于盛装或输送有毒的、可燃的气体或液体的各种 焊接储罐和管道等，若有穿透性裂纹，必然发生泄 漏，在工程上是不允许的；
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三、结晶裂纹防止措施
防治结晶裂纹可从下列两方向着手：
(1)冶金方面 1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 这几种元素不仅能形成低熔相或共晶，而且 还能促使偏析，从而增大结晶裂纹的敏感性。
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为了消除它们的有害作用，应尽量限制母材和焊 接材料中硫、磷、碳的含量。按当前的标准规定： w(S)、w(P)都应小于0.03％～0.04％。 用于低碳钢和低合金钢的焊丝，其w(C)一般不得 超过0.12％。